Фізика 10 клас

Фізика 10 клас

05.05.

Тема: Провідники та діелектрики в електричному полі.

  Перегляньте відео за посиланням  https://www.youtube.com/watch?v=GGB34yGYGa0

  Що відбувається з будь-яким тілом, яке помістили в електричне поле?         

    Щоб відповісти на це запитання, розглянемо спочатку провідники в електричному полі, а саме: провідники першого роду - метали. При утворенні металу в результаті сильної взаємодії нейтральних атомів останні втрачають електрони із зовнішніх оболонок атомів. Ці електрони втрачають зв'язок зі «своїми» атомами і стають «власністю» всього провідника загалом. У результаті додатньо заряджені іони будуть оточені від'ємно зарядженим «газом», утвореним колективізованими електронами

    Ці колективізовані електрони беруть участь у тепловому русі і можуть переміщатися по шматку металу в будь-якому напрямі. їх називають вільними електронами, але цей термін не дуже вдалий, тому ліпше називатимемо їх електронами провідності. Слід зауважити, що сумарний позитивний та негативний заряд у провіднику дорівнює нулю.

    Помістимо металевий провідник у зовнішнє електричне поле, напруженість якого дорівнює Ё_о. Електрони провідності під дією сили зовнішнього електричного поля зміщатимуться в напрямі протилежному до напруженості цього поля. Внаслідок такого зміщення у лівій частині провідника (див. рис. 3) утвориться надлишок негативних зарядів, а у правій - надлишок позитивних. У цьому полягає явище електростатичної індукції, або електризації через вплив.

     Надлишкові заряди створюють усередині в провіднику додаткове (своє) електричне поле, напрям напруженості якого протилежний до зовнішнього поля (див. рис. З, на якому лінії напруженості додаткового поля показано пунктиром). Через супер­позицію полів напруженість результуючого поля в провіднику зменшується. Результуюча сила, що діє на електрон провідності, дорівнює: F_ji=F₀-F_l, де F_o -сила дії зовнішнього поля; F, - сила дії внутрішнього (додаткового) поля.

     Через дуже малий інтервал часу переміщення електронів провідності припи­няється, бо напруженість додаткового поля дорівнюватиме за модулем напруженості зовнішнього поля, а це означає, що сили дії зовнішнього і додаткового полів теж зрівняються. їх рівнодійна дорівнюватиме нулю.

     Отже, напруженість результуючого поля всередині у провіднику, поміщеному у зовнішнє електричне поле, дорівнює нулю, так само як і в незарядженому провіднику.

     Відсутність його усередині в провіднику можна виявити за допомогою різних дослідів.( Учень  демонструє дослід з циліндром Фарадея або сіткою Кольбе.)Ви спостерігали, що листки станіолю, прикріплені ззовні, відхиляться, коли на сітку спрямувати заряд від електростатичної машини, а листки, прикріплені до стрижня, поміщеного у середину сітки, не відхиляться. Поясніть, чому так відбу­вається? (Вчитель слухає думки учнів.)

     Відсутність електричного поля всередині у зарядженому чи незарядженому провіднику вказує ще й на те, що сумарний електричний заряд дорівнює нулю. Отже, весь статичний заряд провідника розміщений на його поверхні. Це справді так, бо якби заряд містився усередині в провіднику, то поблизу заряду було би поле.

    Існує така бувальщина, що Фарадей, бажаючи пересвідчитись у тому, що всередині у провіднику електричне поле відсутнє, виготовив доволі велику мета­леву сітку і сам заліз під неї. Його помічник під'єднав сітку до джерела високої напруги. В результаті цього учений і його асистент самі пересвідчились, що електричного поля усередині в провіднику справді нема. Мабуть, Фарадей хотів не стільки себе переконати, скільки свого асистента.

   Учні, як ви гадаєте: яку роль відіграють ці алюмінієві ковпачки, якими накрито деякі радіодеталі?

    Тепер розглянемо поведінку діелектриків в електрич­ному полі. Спочатку уважно простежте за виконанням поданих нижче дослідів. Надамо електрометру певного заряду і позначимо кут відхилення стрілки. Наблизимо до кульки електрометра незаряджений діелектрик та помітимо, що покази електрометра зменшились. Якщо забрати діелектрик, то стрілка електрометра повернеться у попереднє положення. Причому це не залежить від того, як електрометр був заряджений - позитивно чи негативно.

     Як бачите, відбувається те саме, що і в попередньому досліді, тільки значно ефективніше. Як можна пояснити результати дослідів?

     Таким чином, у діелектрику, як і в провіднику, можна простежити індукцію електричних зарядів. Якщо ж розділити заряджений діелектрик на дві частини, то ми не отримаємо двох частин, заряджених різнойменно.      

Отже, індукція в діелектрику відрізняється від індукції у провіднику. Річ у тім, що, наприклад, в ідеальному діелектрику нема вільних зарядів, як у провіднику. Різнойменні заряди, що входять до складу діелектрика, компенсують один одного, і загалом молекули є електро-нейтральними. Наявність у діелектрику електричних зарядів може означати лише їх перерозподіл у межах об'єму, що його займає атом чи молекула.

    Розглянемо молекулу води. Вона складається з негативного іона кисню і двох позитивних іонів водню. Центри позитивного та негативного зарядів молекули води зміщені один відносно одного й утворють полярну молекулу, так званий диполь (див. рис.). Навколо молекули-диполя створюється електричне поле, хоч вона має однакові позитивний і негативний заряди. Такі діелектрики називають полярними. У звичайному стані молекули-диполі зорієнтовані хаотично, та їхні поля взаємно послаблюють одне одного, тому поза діелектриком поле не можна виявити.

     Помістивши діелектрик у зовнішнє електричне поле, побачимо, що воно діє на кожну молекулу-диполь. При цьому на молекулу-диполь діє пара сил (див. рис. 6), що орієнтує її в напрямі напруженості. Це явище називають поляризацією діелектрика.

    Звичайно процес поляризації порушує тепловий рух молекул. Однак якщо зовнішнє поле доволі сильне, то все ж більшість диполів орієнтується так, як пока­зано на. Чим більша напруженість зовнішнього електричного поля, тим більша кількість диполів орієнтується у ньому.

    У результаті цього на одній поверхні діелектрика виникає зв'язаний негативний поляризаційний заряд, а на протилежній - позитивний. Усередині в діелектрику сумарний електричний заряд дорівнює нулю.

Крім полярних діелектриків, бувають так звані неполярні. Молекули таких діелектриків не містять іонів. Центри позитивного і негативного зарядів у них збігаються.

    Якщо неполярний діелектрик помістити в електричне поле, то центри позитивного та негативного зарядів зміщуються під дією сил поля, утворюючи диполь, який вже орієнтується у полі так, як і в полярних діелектриків, що веде до поляризації й утворення поляризованих зарядів на протилежних сторонах.

     Припустимо, що Е_о - напруженість електричного поля, в яке поміщено діелектрик  напрям поля - справа наліво. Напруженість електричного поля, створеного поляризаційними зарядами, дорівнює Е₁

    Таким чином, модуль результуючого поля становитиме: Е= Е₀ - Е₁

Як бачимо, електричне поле усередині в діелектрику лише послаблюється. Величину, яку визначають за допомогою співвідношення є (епсилон),називають діелектричною проникністю діелектрика. Вона показує ступінь поляризації цього діелектрика, тобто у скільки разів модуль напруженості електричного поля всередині у діелектрику Е_х менший за модуль напруженості електричного поля Е_о у вакуумі. Звичайно це стосується однорідних діелектриків. З огляду на це можна пояснити, чому сила взаємодії електричних зарядів у діелектрику зменшується                           

                                                     (F = k q₁ q₂ / r² ).

    Якщо точкові заряди перебувають у діелектрику, то він поляризується Біля поверхні позитивного зарядженого тіла розміщуються негативні заряди молекул-диполів середовища, а біля поверхні негативно зарядженого тіла - позитивні. Це призводить до деякого зменшення напруженості поля порівняно з напруженістю поля цього самого заряду у вакуумі та зменшення сили взаємодії між зарядами, що перебувають у діелектрику, порівняно із силою взаємодії між зарядами у вакуумі.

   Виконайте тести за посиланням https://naurok.com.ua/test/providniki-i-dielektriki-v-elektrichnomu-poli-326131.html

Домашнє завдання

Вивчити §43. Виконайте  завдання та перешліть на електронну адресу captatana5@gmail.com